改善定向凝固铸件凝固散热条件的熔模精密铸造方法

摘要

一种改善定向凝固铸件凝固散热条件的熔模精密铸造方法，属于定向凝固柱晶或单晶试棒的精密铸造技术领域。在定向柱晶或单晶试棒制备过程中，所选模壳材料与通用模壳材料材质相同。改变模壳形状，增加等距变截面，形成多个等距矩形凹槽。当定向凝固试棒和模壳一起运动到隔热板下方时，定向凝固炉内安装的机械膨胀环镶嵌进模壳的等距矩形凹槽内，通过机械膨胀环向下方向的膨胀，把凹槽下部的模壳去除掉，使定向凝固铸件下端直接与冷却介质接触，以显著改善定向凝固试棒与冷却介质的热交换条件，从而大大提高定向凝固铸件的冷却速度和固-液界面的温度梯度，细化定向凝固铸件的枝晶组织，减小枝晶偏析，显著提高铸件的力学性能。

权利要求

1.一种改善定向凝固铸件凝固散热条件的熔模精密铸造方法，其特征在于：工艺步骤及在工艺中控制的技术参数：(1)：按照常规方法制备铸件所需规格的蜡模，制造模壳内腔；

(2)：根据材料要求制作模壳的面层和背层；

(3)：在模壳外表面制备间隔为模壳高度10％-30％的等距矩形凹槽，然后进行焙烧强化；

(4)：紧挨定向凝固炉隔热板下方安装与步骤(3)中等距矩形凹槽相匹配的机械膨胀装置，即机械膨胀装置能够镶嵌进等距矩形凹槽内；

(5)：将检验合格的凹槽型模壳，安装到定向凝固炉内，往模壳中浇注合金液，并将模壳向隔热板下方移动；

(6)：当凹槽型模壳的第一个凹槽被抽拉到隔热板下方时，机械膨胀装置镶嵌进入第一个凹槽，并启动运行，通过机械膨胀装置向下方向膨胀去除凹槽下方的模壳，按顺序依次去除第二凹槽、第三凹槽，直到铸件定向凝固结束。

2.根据权利要求1所述的熔模精密铸造方法，其特征在于：机械膨胀装置通过向下方向膨胀，将等距矩形凹槽下方的模壳去除掉，彻底消除铸件凝固过程中陶瓷模壳本身带来的巨大热阻，提高铸件凝固界面的温度梯度。

说明书

改善定向凝固铸件凝固散热条件的熔模精密铸造方法

技术领域

[0001] 本发明属于定向凝固铸件的精密铸造技术领域，特别是提供了一种改善定向凝固散热条件的熔模精密铸造方法。

背景技术

[0002] 在定向凝固铸件铸造过程中，目前常用的是精密模壳铸造方法。铸件与环境的热交换有四个控制环节，分别为：铸件与激冷板的界面换热(换热系数hC)；铸件与模壳内表面之间间隙的辐射换热(换热系数hgap)；通过模壳的热传导(热传导系数hsheel)；模壳与环境冷却介质的换热(换热系数hr)。铸件与环境的总换热系数为

[0003] Hb＝(1/hC+1/hgap+1/hsheel+1/hr)-1

[0004] 一般来讲，铸件与激冷板的界面换热系数hC较大，大约在1500W/(m2k)左右，而其它三项由于模壳材料的导热性能很差，换热系数hgap、hsheel、hr比hC小一个数量级，从而造成铸件与环境的总换热系数Hb很低，无法保证铸件凝固界面高的温度梯度和铸件组织性能的优化。目前世界上陆续研究开发的Bridgman法、LMC法、GCC和FBQ法均只改进了模壳表面向周围环境散热的条件，没有从根本上改变铸件凝固过程中模壳本身带来的巨大热阻，因此也就无法从根本上提高铸件凝固界面的温度梯度。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种改善定向凝固铸件凝固散热条件的熔模精密铸造方法，通过从根本上消除铸件凝固过程中模壳本身带来的巨大热阻，提高铸件凝固界面的温度梯度，优化定向凝固铸件的枝晶组织，减小枝晶偏析，显著提高铸件的力学性能。

[0006] 本发明在定向凝固铸件制备过程中，所选模壳材料与通用模壳材料材质相同。改变模壳形状，增加等距变截面，形成多个等距矩形凹槽。当定向凝固铸件和模壳一起运动到隔热板下方时，定向凝固炉内安装的机械膨胀装置镶嵌进模壳的等距矩形凹槽内，通过机械膨胀装置向下方向的膨胀，把凹槽下部的模壳去除掉，使定向凝固铸件下端直接与冷却介质接触，以显著改善定向凝固铸件与冷却介质的热交换条件，从而大大提高定向凝固铸件的冷却速度和固-液界面的温度梯度，细化定向凝 固铸件的枝晶组织，减小枝晶偏析，显著提高铸件的力学性能。

[0007] 本发明采用的工艺步骤及在工艺中控制的技术参数如下：

[0008] (1)：按照常规方法制备铸件所需规格的蜡模，制造模壳内腔。

[0009] (2)：根据材料要求制作模壳的面层和背层。

[0010] (3)：在模壳外表面制备间隔为模壳高度10％-30％的等距矩形凹槽，然后进行焙烧强化。

[0011] (4)：紧挨定向凝固炉隔热板下方安装与步骤(3)中等距矩形凹槽相匹配的机械膨胀装置，即机械膨胀装置能够镶嵌进等距矩形凹槽内。

[0012] (5)：将检验合格的凹槽型模壳，安装到定向凝固炉内，往模壳中浇注合金液，并将模壳向隔热板下方移动。

[0013] (6)：当凹槽型模壳的第一个凹槽被抽拉到隔热板下方时，机械膨胀装置镶嵌进入第一个凹槽，如图2所示。并启动运行，通过机械膨胀装置向下方向膨胀去除凹槽下方的模壳，如图3所示。按顺序依次去除第二凹槽、第三凹槽……，直到铸件定向凝固结束。

[0014] 机械膨胀装置通过向下方向膨胀，将等距矩形凹槽下方的模壳去除掉，彻底消除铸件凝固过程中模壳本身带来的巨大热阻，显著提高铸件凝固界面的温度梯度。

[0015] 本发明所产生的有益效果：

[0016] 本发明针对定向凝固过程中因冷却速度和温度梯度不够高，铸件凝固组织有充分时间长大、粗化，以致产生严重的枝晶偏析，限制铸件性能提高的问题，从根本上消除铸件凝固过程中模壳本身带来的巨大热阻，使铸件与冷却介质之间的换热系数提高一个数量级以上，显著提高铸件的冷却速度，从而提高铸件凝固界面的温度梯度，优化定向凝固铸件的组织和性能。

附图说明

[0017] 图1为本发明模壳装置示意图。其中：模壳1、凹槽2.

[0018] 图2为镶嵌机械膨胀装置示意图。其中，模壳1、凹槽2、铸件3、隔热板4、机械膨胀装置5。

[0019] 图3为去除模壳过程示意图。其中，模壳1、凹槽2、铸件3、隔热板4、机械膨胀装置5、被去除的模壳6。

具体实施方式

[0020] 实施例1，目前定向凝固方法的改进均只改善了模壳表面向周围环境散热的条件，没有从根本上改变铸件凝固过程中模壳本身带来的巨大热阻，因此难以从根本上提 高铸件凝固界面的温度梯度。为此，本实施例采用一种改善定向凝固铸件凝固散热条件的熔模精密铸造方法，具体步骤如下：

[0021] 步骤1：按照常规方法制备铸件所需规格的蜡模，制造模壳内腔。

[0022] 步骤2:根据材料要求制作模壳的面层和背层。

[0023] 步骤3：在模壳外表面制备间隔为5mm的等距矩形凹槽，然后进行焙烧强化。

[0024] 步骤4：紧挨定向凝固炉隔热板下方安装与步骤3中等距矩形凹槽相匹配的机械膨胀装置，即机械膨胀装置能够镶嵌进等距矩形凹槽内。

[0025] 步骤5：将检验合格的凹槽型模壳，安装到定向凝固炉内，往模壳中浇注合金液，并将模壳向隔热板下方移动。

[0026] 步骤6：当凹槽型模壳的第一个凹槽被抽拉到隔热板下方时，机械膨胀装置镶嵌进入第一个凹槽，如图2所示。并启动运行，通过机械膨胀装置向下方向膨胀去除凹槽下方的模壳，如图3所示。按顺序依次去除第二凹槽、第三凹槽……，直到铸件定向凝固结束。

[0027] 实施例2，本实施例的具体步骤如下：

[0028] 步骤1：按照常规方法制备铸件所需规格的蜡模，制造模壳内腔。

[0029] 步骤2:根据材料要求制作模壳的面层和背层。

[0030] 步骤3：在模壳外表面制备间隔为8mm的等距矩形凹槽，然后进行焙烧强化。

[0031] 步骤4：紧挨定向凝固炉隔热板下方安装与步骤3中等距矩形凹槽相匹配的机械膨胀装置，即机械膨胀装置能够镶嵌进等距矩形凹槽内。

[0032] 步骤5：将检验合格的凹槽型模壳，安装到定向凝固炉内，往模壳中浇注合金液，并将模壳向隔热板下方移动。

[0033] 步骤6：当凹槽型模壳的第一个凹槽被抽拉到隔热板下方时，机械膨胀装置镶嵌进入第一个凹槽，如图2所示。并启动运行，通过机械膨胀装置向下方向膨胀去除凹槽下方的模壳，如图3所示。按顺序依次去除第二凹槽、第三凹槽……，直到铸件定向凝固结束。

[0034] 本发明不局限于上述最佳实施方式，该实施方式并非用来限定本发明专利的实施范围。即凡依本申请专利范围的内容所做的等效变化与修饰，都应为本发明专利的技术范畴。